Метатезис, иллюстрация с сайта meta-synthesis.com

Нобелевская премия за перегруппировку скелетов

Премию по химии получат изобретатели метатезиса

Всего второй раз за последние десять лет Нобелевский комитет отметил работу по органической химии. Большинство лауреатов в этом и предыдущем десятилетиях осваивали границы химической науки с физикой и биологией. Трое ученых, которым через два месяца вручат нобелевские медали - Ив Шовен из французского Института нефти, Ричард Шрок из Массачусетского технологического института и Роберт Груббс из Калифорнийского университета - занимались именно химией в исходном смысле слова.

Обычно у химиков-синтетиков нет недостатка в задачах. Так, например, создание лекарств часто требует воспроизвести какой-нибудь фрагмент молекулы, встречающейся чрезвычайно редко в природе. Большая часть "красивых" реакций была придумана, чтобы избежать при этом пятидесятистадийных схем, в результате которых из килограммов реактивов получаются миллиграммы продукта. Или хотя бы обойтись тридцатью стадиями.

Если даже структурные формулы выглядят практически одинаково на бумаге, это вовсе не означает, что от одного вещества к другому легко перейти. Поэтому самые простые химические преобразования наиболее удивительны - как, впрочем, и самые простые уравнения других наук. Действительность - сложнее.

В 1971 году Ив Шовен и его ученик Жан-Луи Херрисон рассмотрели реакцию из числа тех, которые должны поражать посторонних своей простотой. То, что позже назовут метатезисом олефинов, сводилось к "переключению" пары химических связей, причем в результате изменялся углеродный скелет одной или двух молекул. Химики-органики называют такие реакции перегруппировками. Первые перегруппировки стали известны около 150 лет назад, и с этого момента их коллекция успела заметно пополниться. А после - остановиться в развитии. Открытие метатезиса завершило своего рода паузу.

Частные случаи были известны задолго до Шовена и имели мало общего с тонким органическим синтезом. По такой схеме, например, из легкокипящих составляющих нефти получали другие углеводороды - растворители и "полуфабрикаты" для химической промышленности. Кроме того, к простейшей форме реакции прибегали при производстве полимеров.

Шовен и Херрисон придумали явный механизм для группы превращений, где кроме самих реагентов участвовал бы металлорганический катализатор. Как следовало из их работы, в ходе реакции должен был образовываться комплекс сложной природы, особенности которого ученые сумели описать. Они также сформулировали требования к будущему катализатору, но найти его самостоятельно не смогли.

Статья об этом осталась практически незамеченной. За четыре года ее процитировали только дважды (причем один раз - в "Докладах АН СССР"). В 1975 году все изменилось: Томас Кац из Колумбийского университета уточнил, какие металлокарбены (а именно к этому классу относились катализаторы Шовена) подходят для метатезиса. Кац утверждал, что в начале своего исследования не был знаком с работой Шовена и Херрисона совсем. Работа Каца подсказала остальным, где искать нужное вещество, и уже в 1976 году Мак-Гиннис и Гурвиц предъявили первый работающий катализатор на основе олова. Круг реакций, которые можно было провести с его участием, был достаточно узок, но уже вызывал интерес специалистов.

Коллеги будущих нобелевских лауреатов осознали результат открытия еще до того, как оно вошло в химическую практику. Некоторые говорили, что метатезис "отменяет границы" в органической химии. Реакция позволяет так же легко обращаться с химическими связями, как если бы они были нарисованы на бумаге. С помощью метатезиса можно размыкать и замыкать циклы, "склеивать" и "разрезать" структуры. И, разумеется, полимеризовать молекулы - с этого, собственно, все и начиналось. Однако до 1980 года никаких альтернатив неудобной и малопродуктивной оловоорганике предложено не было.

Следующим шагом стали вольфрамовые, танталовые, молибденовые и ниобиевые катализаторы, которые получил второй лауреат, Ричард Шрок. Метатезис с молибденом оказался удобным источником полиацетилена - обедненного водородом аналога обычного полиэтилена. (Кстати, это вещество было первым из проводящих полимеров, исследование которых отметили Нобелевской премией в 2000 году). До этого Шрок исследовал комплексы производных тантала с циклобутаном и циклобутадиеном, а как раз такие соединения служат промежуточными продуктами метатезиса.

Катализатор Груббса, изображение с сайта wikipedia.org

Однако и новая серия реагентов была довольно неудобной. Все они требовали "стерильных" условий работы и разрушались на воздухе. С этим удалось справиться двенадцать лет спустя: в 1992 году Роберт Груббс придумал устойчивый катализатор на основе рутения - чрезвычайно редкого металла, близкого по свойствам к платине. Рутениевый катализатор можно назвать идеальным реагентом: реакции с его участием затрагивают только кратные связи, при этом с остальными активными группами органических молекул ничего не происходит. Позже Груббс "утяжелил" молекулу катализатора, сделав ее еще более эффективной. Несколько ее модификаций известны сейчас как "катализаторы Груббса". Впрочем, называть сам метатезис реакцией Груббса также стало общепринятым.

Пуленепробиваемая резина, полученная по реакции Груббса. Фото с сайта acs.org

Метатезис обладает всеми признаками "хорошей реакции". Так, он при определенных условиях сохраняет асимметрию реагентов - это особенно важно при создании биологически активных молекул. Известно, что "отражение" молекулы в зеркале может качественно поменять ее воздействие на организм, поэтому химики предпочитают те превращения, которые не смешивают "левое" и "правое". Эта особенностью воспользовались, например, когда по реакции Груббса синтезировали феромоны насекомых - особые пахучие вещества, которые нужны им для передачи "условных сигналов" на большие расстояния.

Список продуктов метатезиса - от растительных ядов до пуленепробиваемой резины - получился бы весьма длинным. Перечислять "знаменитые синтезы", в ходе которых эта реакция пригодилась, долго и, вероятно, просто не получится. Так иногда происходит с интересными результатами: их перестают воспринимать как "любопытный трюк", когда они становятся естественной деталью научного ландшафта. Где - после их появления - границ и барьеров оказывается меньше.